Atomlardan Özelliklere Çeşitlilik

Teksas’taki bir kütüphanenin bir rafında 150 yıl önce basılmış, bugüne dek yazılmış en önemli bilimsel kitaplardan biri olarak

kabul edilen, küçük, yeşil ciltli bir kitap duruyor. Türlerin Kökeni ilk kez basıldığında ileride ne ka-dar büyük bir başarı elde edeceği tahmin bile edi-lemezdi. Charles Darwin yeni eserinin son oku-masını bitirdiğinde, kitabın basılır basılmaz gön-derilmesini istediği, önem verdiği meslektaşları-nın kısa bir listesini çıkarmıştı. Sonra da, zama-nının önde gelen bu düşünürlerinin yorumlarını beklemeye başladı.

İngiltere’nin en önemli bilim insanı 1859’da, ki-tabın şimdi Austin’deki Texas Üniversitesi’nde ko-ruma altında olan bu küçük, yeşil ciltli kopyasının üzerine ilk tepkilerini not etti. İç kapak sayfasının arkasında “yazardan” ibaresi bulunan bu kopya, Darwin’in bilim alanındaki kahramanlarından bi-rine, doğa felsefesi hakkındaki bilimsel inceleme-siyle bir bilim insanı olmasına yol açan Sir John Herschel’e gönderdiği kopya. Herschel 1830’larda, dikkat çekici bir biçimde türlerin kökenini, doğal süreçlerle oluşması olası bir “sırların sırrı” olarak tanımlamıştı. Darwin, kitabının ilk paragrafın-da onun bu sözlerini alıntılayarak, Herschel’e ve dünyaya “sırların sırrına” getirdiği yaratıcı çözü-mü sundu.

Charles Darwin organizmalardaki rastlantısal çeşitliliğin evrime zemin oluşturduğunu görmüştü. Bilim insanları, çeşitliliğin DNA’daki değişikliklerden kaynaklandığını, birikerek karmaşık canlılar ve hatta kültürler oluşturabileceğini gösteriyor.

David M. Kingsley

EVRİM: Gelecek 200 Yıl

Richard ForteyCoğrafi yalıtımın yeni türlerin ortaya çıkmasını nasıl tetiklediği hakkında daha çok şey öğrenmeliyiz. Biyoçeşitliliğin büyük bölümünden bu etken mi sorumlu? Evrim, okaliptüs gibi, pek çoğu aynı yaşama ortamında uyumlu bir şekilde bir arada var olabilen, tür açısından son derece zengin cinsleri nasıl üretiyor? Bu yıldönümünün, bu gibi sorulara cevap vermek için alanda yapılacak biyoloji ve paleontoloji çalışmalarına yeni bir itici güç sağlayacağını umuyorum.Richard Fortey, Londra Doğal Tarih Müzesi Paleontoloji Bölümü

David M. Kingsley Stanford Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde gelişim biyolojisi alanında profesör ve Howard Hughes Tıp Enstitüsü’nde araştırmacıdır. Genlerin iskelet ve eklemlerdeki gelişimi ve onarımı nasıl kontrol ettiğini konu alan çalışmaları, modern sağlık sorunlarının anlaşılmasının yanı sıra son bin yıllık süreçte oluşan yeni hayvan formlarının evrimi konusuna da ışık tutmaktadır. Kingsley doğal popülasyonlarda yeni özellikler oluşturan temel bazı genetik mekanizmaların farklı organizmalarda nasıl işlediğini göstermiştir.

İzin alınarak Türkçeye çevrilmiştir. Copyright © 2009 Scientific American, Inc. Ltd. Tüm hakları saklıdır.

30

Darwin’in kuramı aynı anda hem basit, hem de kapsamlıydı. Dünya’daki tüm canlıların bir ya da birkaç orijinal formdan türediğini öne sürüyordu. Yaşamın ilk kez nasıl oluştuğunu biliyormuş gibi yapmıyordu. Darwin, yaşam bir kez başladıktan sonra organizmaların yavaşça değişmeye başlaya-cağını ve tamamen doğal bir süreçle farklılaşaca-ğını öne sürdü: Tüm canlılar farklıdır ve bu farklı-lıklar da kalıtsaldır. Yaşadıkları ortama uygun özel-liklere sahip bireyler daha başarılı olacak ve o özel-liklere sahip olmayan bireylerden daha fazla üre-yecektir. Üstünlük sağlayan özellikler zamanla, ka-çınılmaz “doğal seçilim” sürecinin sonucunda bi-rikecektir. Darwin, okurları kendiliğinden oluşan çeşitliliğin ve diferansiyel üremenin birikme özel-liği konusunda ikna edebilmek için evcilleştirilmiş bitkilerde, güvercinlerde ve köpeklerde insanlar tarafından yapılan sadece birkaç yüzyıllık seçme-li üretim sonucunda, büyüklükte ve şekilde büyük değişiklikler meydana geldiğine işaret ediyordu.

Meslektaşlarından bazıları Darwin’in kuramı-nın gücünü derhal anladı. Thomas Henry Huxley Darwin’in kendisine gönderdiği kitabı okuduktan sonra “Benim bunu düşünememiş olmam ne büyük bir aptallık” demişti. Ne yazık ki, Darwin’in fikrine neredeyse herkesten daha fazla değer ver-diğini belirttiği kişinin tepkisi böyle olum-lu değildi. Herschel basit, rastlantısal çeşit-lilik sonucunda faydalı yeni özelliklerin ve türlerin oluşabileceğini düşünmüyordu. Bu fikri ”karman çorman kanunu” olarak nitelendirip bir kenara attı. Türlerin Kökeni’nin ken-di kopyasında Herschel, “herhangi bir şey ‘başarılacaksa’ faydalı çeşitliliklerin ‘kendi kendine olması’ ge-rektiği” olgusuna odaklandı. Darwin gerçek-ten de değişik özelliklerin kökeni hakkında bilgi sahibi değildi. Herschel de, çeşitliliğin kaynağını açıklayamadığı sürece, Darwin’in kuramının tür-lerin kökenini açıklayamayacağını düşünüyordu.

Darwin’in kuramının sahneye çıkışından 150 yıl sonra, gen ve genom araştırmalarındaki çarpıcı iler-lemeler sayesinde, özelliklerin sonraki nesillere nasıl aktarıldığı ve nasıl evrim geçirdiği gibi temel soru-lar yanıtlandı. Günümüzde evrim biyolojisi üzerine araştırmalar yapan Darwin takipçileri, etrafımızda-ki bitkilerin ve hayvanların muhteşem çeşitliliğinin en azından moleküler temellerini bili-yor. Darwin’in kuramının kendisi gibi, çeşitliliğin ne-denleri çoğunluk-

Bir bezelye bitkisindeki ve tüm yaşamdaki çeşitlilik DNA’dan kaynaklanıyor

Amad

eo Ba

char

Bilim ve Teknik Haziran 2009

>>>

31

la çok basit, ama etkileri çok büyük. Duruma gayet uygun bir şekilde, bu kavrayışlar aşama aşama ger-çekleşmiş, bir çoğu da Darwin’in kitabının birbirini izleyen 50. yıldönümlerine denk gelmiştir.

Çeşitlilik Ortaya Konuluyor Darwin değişik özelliklerin nereden geldiğini

söyleyemediği gibi, bu yeni özelliklerin sonraki ne-sillere nasıl yayıldığını da açıklayamıyordu. Kalıtsal özelliklerin melezleştiğini, yani çocukların ebeveyn-lerinin özelliklerinin bir karışımını edindiğini dü-şünse de, kendisi de kuramının sorunlu olduğunu görebiliyordu. Çünkü eğer özellikler gerçekten karı-şıyorsa, oluşabilecek yeni ve az raslanan bir varyant, o özelliğe sahip olmayan daha çok sayıda bireyin ne-siller boyunca üremesiyle giderek seyrelecekti.

Gregor Mendel’in 1850’lerde ve 1860’larda yap-tığı ünlü bezelye deneylerinin 1900’de yeniden keş-finden sonra, özelliklerin birbirine karışması ko-nusundaki karmaşa sona erdi. Avusturyalı rahibin bahçesindeki bezelye bitkileri uzun saplı, kısa sap-lı, buruşuk taneli, düz taneli gibi belirgin morfo-lojik farklılıklar gösteriyordu. Zıt özelliklere sahip bezelye bitkileri çaprazlandığında, sonraki nesil genellikle bir önceki nesillerden birine benziyor-du. Ancak bunlar da çaprazlandığında, bir özelli-ğin her iki biçimi de daha sonraki nesillerde sey-relmemiş olarak ortaya çıkabiliyordu. Bu da mor-folojik farklılıkların genetik bilgisinin melezleşip yok olmadığını gösteriyordu. Mendel’in deneyleri, kalıtsal özelliklerin geçici ve karışabilir olmadığını, tersine ebeveynden sonraki nesillere aktarılabilen, her zaman görünür olmasalar da, birbirinden ayrı varlıklar olduğunu gösterdi.

Kısa süre içinde, Mendel’in “genetik faktörle-rinin” kalıtsal örüntülerinin, hücre çekirdeğinde-ki kromozomların davranışlarıyla aynı olduğu or-

taya koyuldu. Bu çok ilginç bir bulguydu. Türle-rin Kökeni’nin 50. yılında varyantların kökeni hâlâ bilinmiyordu, ama genetik bilgi fiziksel bir varlı-ğa dönüşüyor, nihayet çekirdeğin içinde iplikçikler şeklinde görülebiliyordu. Kitabın basımının 100. yıldönümüne gelindiğinde, kromozomlardaki ka-lıtım bilgisinin büyük bir asidik polimer olan de-zoksiribonükleik asitte (DNA) olduğu bulunmuş-tu. James D. Watson’ın ve Francis Crick’in 1953’te DNA molekülünün yapısını keşfetmesinin, kalıtı-mın ve çeşitliliğin fiziksel açıdan kavranması üze-rinde çok çarpıcı etkileri olmuştu.

DNA uzun, ikili bir sarmaldır; tekrarlayan şeker ve fosfat zincirlerinden oluşan bir omurgası vardır. Olası dört kimyasal bazın (adenin, sitozin, guanin ve timinin - A, C, G, T) birbirlerini tamamlayacak şekilde eşleşmesiyle polimerin iki ipliği bir arada tutulur. Bu bazlar basit bir genetik dilin temelini oluşturur. Alfabedeki harfler gibi, DNA alfabesin-deki dört kimyasal harf de, sarmalın bir zincirinde herhangi bir şekilde dizilerek, ebeveynlerden son-raki nesillere geçen farklı komutları oluşturur

İkili sarmal, genetik bilginin kopyalanması için de net bir mekanizma sunmaktadır. DNA molekü-lünün ortasında, C’ler daima G’lerle, A’lar da dai-ma T’lerle eşleşir. Bu ilişki, birbirine karşılık gelen kimyasal grupların büyüklükleri, şekilleri ve bağ-lanma özellikleriyle tanımlanır. DNA sarmalının iplikleri birbirinden ayrıldığında, bir iplikteki harf-lerin dizilişi şablon olarak kullanılarak diğer iplik ona göre yeniden oluşturulabilir.

Watson’ın ve Crick’in önerdiği DNA yapısı, akla hemen kendiliğinden oluşan çeşitlilik için olası bir fiziksel temel getiriyordu. Fiziksel hasar anında ya da hücre bölünmesinden önce DNA’nın kopyalanma-sı sırasında oluşan hatalar, harflerin normal dizilişi-ni değiştirebilirdi. Mutasyonun pek çok nedeni ola-bilirdi: Polimerin belirli bir yerindeki bir harfin yeri-ni bir başka harf alabilir, harfler bir grup halinde sili-nebilir, bazıları tekrarlanabilir ya da yeni harfler ek-lenebilir ya da zaten var olan harfler ters dönebilir ve yerleri değişebilirdi. DNA yapısının önerildiği tarih-te, bu değişiklikler hâlâ kuramsaldı. Ama Darwin’in meşhur kitabının yayımlanmasının 150. yıldönümü yaklaşırken, büyük ölçekli dizileme yöntemleri bir genomun tamamının okunmasını ve genetik çeşitli-liğin (yani Darwin’in önerdiği evrimsel sürecin ham-maddesinin) daha önce olmadığı kadar ayrıntılı ola-rak incelenmesini mümkün kılmıştır.

Değişik organizmaların ve onların döllerinin ge-nom dizilimini çıkarıp sonra da nesilden nesile ak-tarılan DNA harflerinden oluşan uzun zincirde ken-

Atomlardan Özelliklere Çeşitlilik

Charles Darwin’in döneminin önde gelen bilim insanlarından biri olan John Herschel Türlerin Kökeni’nde öne sürülen kurama şüpheyle yaklaştı. Darwin kişisel özelliklerde görülen çeşitliliğin nedenini açıklayamadığı için, doğanın üstünlük sağlayan varyantları tercih ettiği düşüncesi eksik kalmış görünüyordu. Kitabın kendisine ait nüshasına Herschel şöyle not alıyordu, “D. küçük bireysel farklılıkların bilinmeyen bir nedeni olduğunu kabul ediyor, ama ‘doğal seçilimin’ bu farklılıkların yarattığı sonuçları açıklamaya ‘yeterli bir kuram’ niteliği taşıdığını öne sürüyor.”

EVRİM: Gelecek 200 Yıl

Chris Stringerİnsanların ve şempanzelerin son ortak atasının neye benzediğini, nerede ve nasıl yaşadığını ve hangi süreçlerin bizi ayrı evrim yollarına sürüklediğini hâlâ bilmiyoruz. Bugün elimizde, muhtemelen 7-5 milyon yıl öncesi arasında bir zamandan kalma, Afrika’dan birkaç önemli fosil var, fakat bana göre bu fosiller bizi illa ki bir cevaba yaklaştırmış değil. Daha fazla fosil keşfedilmesi ve belki de yaşayan türler üzerine -yeni genetik veriler de dahil- daha fazla araştırma yapılması gerekiyor.Chris Stringer, Londra Doğal Tarih Müzesi Paleontoloji Bölümü

32

Bilim ve Teknik Haziran 2009

>>>

diliğinden oluşan değişiklikler olup olmadığını araş-tıran bilim insanları, bu tip mutasyonların olduk-ça düzenli olarak ortaya çıktığını net olarak göster-di. (Tabii ki, sadece tohum hücrelerde oluşan mu-tasyonlar sonraki nesle aktarılacak, yani o anlamda saptanabilir olacaktır.) Mutlak mutasyon hızı deği-şik türlerde farklılık gösterse de, tek baz çiftlerinin yer değiştirdiği mutasyonlar tipik olarak her nesil-de nükleotid başına ortalama 10-8 oranında görülür. Bu sıklık düşük gibi görünebilir, ama birçok bitkinin ve hayvanın genomu çok büyüktür. Genomunda 100 milyon hatta 10 milyar baz çifti olan çok hücreli bir hayvanda, kalıtım bilgisinin her aktarılışında kendi-liğinden tek baz çifti değişiklikleri olacaktır.

DNA bazlarının kimyasal kararlılıklarına ve ya-pısal özelliklerine bağlı olarak, belirli yer değişik-liklerinin oluşması diğerlerine göre daha olasıdır. Ayrıca, bazı uzun dizilim değişikliği tipleri, orta-lama tek baz çifti değişikliklerinden çok daha sık gerçekleşir. Örneğin, ardışık 8 ya da daha fazla ay-nı harften oluşan ve homopolimer adı verilen DNA parçalarında, DNA kopyalanması sırasında kopya-lama hatalarının oluşması çok daha olasıdır. Aynı şekilde iki, üç ve daha fazla sayıda nükleotidin tek-rar tekrar yinelendiği ve mikrosatelit adı verilen di-zilerde de aynı durum söz konusudur.

Genomda kendiliğinden oluşan tüm bu deği-şimler birikerek, bizimki de dahil tek bir türde bile yüksek oranda çeşitlilik oluşturabilir. 2003 yılında 3 milyar baz çiftinden oluşan insan genomunun re-ferans diziliminin tamamlanması tarihsel bir kilo-metre taşıdır. 4 yıl sonra da Watson’ın genomunun neredeyse tamamı çıkarılmış, böylece hem refe-rans genomu ile Watson’un genomunu karşılaştır-mak hem de aynı dönemde genomu çıkarılan Ce-lera firmasının kurucusu Craig Venter’ın genomu-nu Watson’un genomuyla (yani iki insanın geno-munu) karşılaştırmak mümkün olmuştu. Bu üç di-zilimin yan yana konularak karşılaştırılması ilginç bilgiler ortaya koymaktadır.

İlk olarak, her bireyin genomu referans dizilim-den kabaca 3,3 milyon tek baz çifti farklılık gös-terir. Bu da ortalama olarak her 1000 bazda 1 de-ğişikliğe karşılık gelir. Her ne kadar daha büyük DNA bölümlerinin ve tüm bir genin dizilime “gir-mesi” ya da dizilimden “çıkması”, tek baz çifti de-ğişiklikleri kadar sık görülmese de (genom başı-na birkaç milyon yerine birkaç yüz bin), genom-dan genoma değişiklik gösteren toplam bazların çoğunluğundan (15 milyona kadar baz çifti etkile-nir) bu olay sorumludur. Yakın bir zamanda birçok bütün genom bölgesinin sayısının da bireyden bi-

Çeşitilliği Arayış

MENDEL’İN ETKENLERİ

Bilim insanları 20. yüzyılın başlarında 1850’lerde ve 1860’larda bezelye bitkisiyle deneyler yaparak kalıtım yasalarını bulan Gregor Mendel’in fikirlerini yeniden keşfetti. Mendel özelliklere ait bilgileri taşıyan ayrık etkenlerin varlığını gösterdi ve her bireyin belli bir faktörden iki (biri anneden biri babadan gelen) kopya taşıdığını tespit etti. İki kopya olduğu halde yalnızca biri baskın olacak ve görünür özelliği oluşturacaktır.

İKİLİ SARMAL

Francis Crick ve James D. Watson 1953’te yapısını keşfettiğinde, DNA molekülü zaten özellikleri taşıyan araç olarak kabul ediliyordu. Tamamlayıcı kimyasal bazlarla birleşen iki ip, hem genetik mesajı taşıyan bir alfabeyi hem de bu mesajın değişmesini sağlayabilecek bir mekanizmayı akla getiriyordu. Hücre her bölünüşünde kromozomlarının bir kopyasını oluşturur ve böylece baz dizisinde “yazım” hatalarının oluşmasına fırsat tanımış olur.

GEN DÜZENLEMESİ

Mendel’in etkenleri daha sonraları, bir proteini kodlayan DNA dizileri olarak tanımlanan “gen” adını aldı. “Yazım” hataları yani mutasyonlar, genleri doğrudan değiştirebilir veya etkisiz kılabilir. Ancak geçtiğimiz on yılda bilim insanları başka bir çeşitlilik kaynağının da önemini anladı: Bir genin vücutta nerede ve ne zaman etkinleşeceğini düzenlemekten sorumlu DNA bölgelerini değişime uğratan mutasyonlar.

GEMÜL

Türlerin Kökeni’nden dokuz yıl sonra Darwin bir özelliğin değişime uğramış halinin, ebeveynden çocuğa ve böylelikle de daha geniş popülasyonlara gemül adını verdiği “son derece küçük” parçacıklar aracılığıyla aktarılabileceğini söyleyen bir kuram öne sürdü. Hücreler tarafından salgılanan bu parçacıklar, kaynaklandıkları vücut bölgesinin özünü üreme organlarında bulunan üreme hücrelerine taşımaktaydı.

Düzenleyici Bölge

Düzenleyici Proteinler

Gen

Bölünen HücreBaz çifti

Sitozin (C) Guanin (G)Timin (T)Adenin (A)

Meli

ssa Th

omas

33

reye farklılık gösterdiği bulundu. Bu da genomdaki yapısal değişikliklerin seviyesinin tam olarak bilin-mediği anlamına geliyor; bilim insanları bu konu-yu daha yeni yeni ele alıyor. Son olarak, bütün in-san genomlarının kıyaslanması sırasında görülen dizilim değişiklikleri ya protein kodlarını ya dü-zenleyici bilgiyi ya da toplam sayısı 23.000 olan in-san geninin hatırı sayılır bir bölümünün kopya sa-yısını değiştiriyor. İşte bu, insanlardaki farklı bir-çok özelliğin altında yatan çeşitlilik kaynağının ne kadar büyük olduğuna işaret ediyor.

Özelliklerin Moleküler Temeli Darwin’in, doğal seçilimin bu özellikleri etki-

lediğini ve böylece tamamen doğal süreçlerle yeni yaşam biçimleri yarattığı şeklindeki kuramını ka-bul etmeden önce, Herschel varyantların nasıl ve neden ortaya çıktığı sorusunun yanıtını almak is-tiyordu. Bugün, bilim insanları çeşitliliğin “neden” ortaya çıktığı sorusunun yanıtının DNA’da kendili-

ğinden oluşan değişiklikler olduğunu biliyor, ama bu mutasyonların özelliklerde farklılaşmaya “na-sıl” yol açtığı sorusunun cevabı daha karmaşık ve evrim çalışmalarından öteye giden açılımları olan bir araştırma alanına işaret ediyor.

Biyologlar, artık bitkilerdeki ve hayvanlarda-ki klasik morfolojik ve fizyolojik özellikleri, DNA çifte sarmalındaki atomlardaki değişikliklerle iliş-kilendirebiliyor. Örneğin, Mendel’in uzun sap-lı ve kısa saplı bezelye bitkileri arasındaki tek far-kın, gibberellin oksidaz enzimini oluşturan gende G’nin yerine A’nın geçmesi olduğunu biliyorlar. Bu genin “kısa varyant” denilen varyantı enzimdeki tek bir amino asiti değiştiriyor, bu da o enzimin et-kinliğinin azalmasına ve bezelye bitkisinin sapın-daki büyümeyi tetikleyen hormonun üretiminde %95’lik bir düşüşe neden oluyor.

Bunun tersine, Mendel’in deneylerindeki be-zelyelerin buruşuk olanlarının bu özelliği, nişasta üretimiyle ilişkili bir enzimin genine 800 baz çift-lik bir dizinin girmesinden kaynaklanır. Gene gi-

Atomlardan Özelliklere Çeşitlilik

Çeşitliliğin Kökeni

Bir organizmanın DNA’sındaki rasgele değişiklikler özelliklerde çok küçük veya çok büyük farklılıklar yaratabilir. DNA mutasyonu, tek bir baz çiftinin yerine bir başkasının geçmesiyle sınırlı olabileceği gibi bütün bir genin veya kromozom bölgesinin kopyalanması şeklinde de olabilir. Yukarıdaki örnekler, DNA’da kendiliğinden oluşan değişimlerin çeşitliliğe hangi şekillerde yol açtığını gösteriyor.

Noktasal MutasyonTazılarda tek bir baz çiftindeki değişim vücut yapısında alttaki fotoğraflarda görüldüğü gibi, çok çarpıcı bir değişime yol açar. Bu mutasyon, kas gelişimini düzenleyen sinyal molekülündeki bir geni etkisiz hale getirir. Mutasyona uğrayan genin her iki kopyasına da sahip olan hayvanlarda, bir “dur” sinyali olmayışı sebebiyle kas gelişimi denetlenemez. (Genin sadece bir kopyası etkisiz hale geldiğinde ise köpekler daha makul ölçüde kaslanır ve yarış köpeği olarak nitelendirilir.)

EklemeBezelye bitkilerinde, bir gene giren 800 baz çiftinden oluşan bir dizi, düz yerine buruşuk bezelyeler üretmektedir. Gene giren DNA parçası, nişasta sentezi için gerekli bir geni etkisiz hale getirir, böylece bezelyenin şeker ve su içeriği değişir. Bu tür hareketli parçalar, insan da dahil olmak üzere çok hücreli organizmaların çoğunun genomlarında görülür.

Gen Kopya SayısıHücre bölünmesi sırasında olabilecek kopyalama hatalarıyla bir genin tamamı kopyalanabilir; bu da türler arasında ve aynı türün üyeleri arasında çeşitliliğe yol açabilir. Çoğunlukla yeşil bitkilerle beslenen şempanzelerin genomunda, tükürük amilazı adı verilen ve nişastayı sindirmeye yarayan enzimin geninden normal olarak sadece bir tane varken, insanlarda bu genin 10 kadar kopyası görülebilir.

phot

os.co

m

34

Bilim ve Teknik Haziran 2009

>>>

ren dizi, enzimin üretimi sırasında araya girip ni-şasta sentezini azaltır, bu da şeker ve su içeriğin-de değişikliklere neden olarak daha tatlı ama buru-şuk tohumların oluşmasına yol açar. Gene giren di-zi, bezelye genomunda başka birkaç konumda da-ha görülür; taşınabilir öğelerin, yani genomda bir yerden diğerine gidebilen bir DNA parçasının tüm belirleyici özelliklerine sahiptir. Genomlardaki bu “sıçrayan öğeler” ya genleri etkisiz hale getirerek ya da genlerin etkinlik örüntülerini değiştiren yeni düzenleyici diziler yaratarak, yeni genetik varyant-lar için ortak bir kaynak oluşturuyor olabilir.

Evrim biyologlarının çeşitliliğin doğası hakkında yapabileceği birkaç genellemeden biri, bir özelliğin varyantının altında yatan genetik kaynağın ne olaca-ğının bir bakışta söylenemeyeceğidir. Örneğin Dar-win güvercinlerde, köpeklerde ve diğer evcilleştiril-miş hayvanlarda görülen çarpıcı morfolojik farklılık-lar hakkında uzun uzun yazmıştır. Bugün, evcil hay-vanlardaki ilginç özelliklerin, birçok farklı tipte DNA dizilim değişikliğinden kaynaklandığını biliyoruz.

Örneğin, Labrador türü av köpeklerinde siyah ve sarı renk farkı, sarı köpeklerin pigment hücre-lerindeki bir sinyal reseptörünü etkisiz hale geti-ren tek bir baz değişikliğinden kaynaklanmakta-dır. Tazıya benzeyen yarış köpeklerinde kas ağır-lığının artmasının ve koşu performansının iyileş-mesinin de, normalde kas büyümesini baskılayan bir sinyali etkisiz hale getiren tek bir baz çifti deği-şiminden kaynaklandığı bulunmuştur. Bunun ak-sine, yüksek sırtlı Rodezya köpeklerinin sırtların-daki çizgiler, fibroblast hücreleri için büyüme fak-törünü kodlayan üç geni içeren 133,000 baz çiftin-den oluşan bir gen bölgesinin kopyalanması so-nucunda, büyüme faktörünün üretimindeki artış-tan kaynaklanır.

Günümüzde Darwin’in ve evrim kuramının eleştirmenleri, insanlar arasındaki küçük farklılık-ların doğal süreçlerden kaynaklanabileceğini, ama türler arasındaki daha büyük yapısal farklılıkla-rın doğal süreçlerden kaynaklanamayacağını be-lirtiyor. Oysa çok sayıda küçük değişiklik, birike-rek daha büyüklerini oluşturabilir. Buna ek olarak, embriyonun gelişimi sırasında, bazı genler hücre gelişimi ve farklılaşması üzerinde güçlü etkilere sa-hip olabilir. Bu kontrol genlerindeki değişiklikler, vücut bölgelerinin büyüklüğü, şekli ve sayısı üze-rinde çarpıcı değişiklikler yaratabilir. Evrim biyo-lojisinin, gelişimde önemli rolü olan genlerdeki de-ğişikliklerin etkilerini ve evrimde oynadıkları rolü araştıran bir alt alanı da vardır.

Bu tür genlerin güçlü etkisi, Orta Amerika’da yetişen teosinte adındaki yabani, otsu atasından ta-mamen farklı görünen mısır bitkisinin incelenme-siyle anlaşılabilir. Mısır ve teosinte arasındaki temel yapısal farklılıkların birçoğu, birkaç kilit kromo-zom bölgesine bağlı. Bitkinin sapının gelişimi sıra-sında hücre bölünmesi örüntülerini kontrol eden tek bir genin düzenleyici bölgesindeki mutasyon-lar, çalı şeklindeki bitki ile tek sapı olan bitki ara-sındaki farkın nedenini oluşturur. Tohum gelişimi sırasında etkin olan ikinci bir gendeki değişiklik-ler ise teosinte’nin taşımsı, mineral kaplı tohumla-rının, mısırın daha yumuşak ve kabı olmayan ta-necikleri haline gelmesine yardımcı olur. Eski çağ-larda Orta Amerikalı çiftçiler teosinte’den mısır el-de ederken DNA, genetik ya da gelişim hakkında hiçbir bilgiye sahip değildi tabii. İstenen özellikle-re sahip bitkileri eşleştirerek, bilinçsizce, gelişme-yi kontrol eden genlerdeki kendinden oluşan var-yantları seçerek, çalıya benzer bir otu, görece az sayıda adımda, insan tarımına faydalı, tamamen farklı görünen bir bitkiye çevirdiler.

EVRİM: Gelecek 200 Yıl

Andy KnollDarwin, popülasyonların çevrelerine nasıl uyum sağladığını açıkladı, fakat Dünya hem fiziksel hem de biyolojik zorlamalara karşılık vererek sürekli değişen, hareketli bir hedeftir. Yaşam ve çevre arasındaki dinamik etkileşimler tamamen anlaşılmış değil, fakat bunlar Dünya’nın tarihinin temelini oluşturuyor ve gelecekte torunlarımızın miras alacağı dünyayı belirleyecekler. Çözüm, çevresel değişimin Dünya üzerindeki yaşamı nasıl etkileyeceğine ilişkin analizlere fizyolojiyi -organizma ve çevre arasındaki ara yüzeyi- dahil etmeyi gerektiriyor. Andy Knoll, Fisher Doğal Tarih Profesörü, Harvard Üniversitesi

KopyalamaAynı baz çiftini içeren, sekiz kere ya da daha fazla tekrarlanan diziler (homopolimerler olarak adlandırılırlar) kopyalama hatalarına çok açıktır. Domuzlarda, bu tür bir diziye fazladan iki S-G çiftinin katılmasıyla pigment hücrelerindeki sinyal reseptörünü denetleyen bir gen etkisiz hale gelir ve domuzların tüyleri açık renk olur. Hücrelerin kendi içlerinde gerçekleşen kopyalama hataları da kopyalanan dizinin baz kaybetmesine neden olabilir, böylece gen tekrar aktive olur ve deride koyu renk lekeler oluşur.

Düzenleyici DeğişimlerGenlerin ne zaman ve nerede etkinleştiğini denetleyen DNA’daki mutasyonlar, organizmanın gelişimi sırasında vücuttaki uzuvların oluşumunu değiştirerek özelliklerde çok çarpıcı değişiklere neden olabilir. Çalımsı mısır (teosinte) bitkisi (yukarıda, soldaki) ile ondan türemiş, uzun boylu mısır bitkisi arasındaki biçimsel farkın büyük kısmından, sapın gelişmesi sırasındaki hücre bölünme örüntülerini kontrol eden tek bir genin düzenleyici bölgelerindeki değişimler sorumludur.

Dikenlibalıklarda Uyum

Üç omurgalı dikenli balıklar sadece 10.000 nesilde pek çok farklı ortama uyum sağlayarak sayısız biçimlere evrildiler. Gelişimi denetleyen üç genin etkinliğini belirleyen mutasyonlar (arka kalça yüzgeçlerinin tamamen yok olması, kemiksi zırhta büyük farlılıklar ve çok daha açık renk gibi) çarpıcı anatomik değişimlere yol açmıştır. Aşağıda gösterilen balık çiftlerinden üstte olan denizde yaşayan tipik bir ata, altta olan ise evrim geçirmiş ve tatlısuda yaşayan dikenlibalık.

hhm

i.org

phot

os.co

mPh

otos

.com

phot

os.co

m

35

Tamamen yabani dikenli balık popülasyonların-da yeni vücut şekillerinin evrimleşmesinin altın-da da benzer ilkeler yatıyor. Son buzul çağı 10.000 yıl önce sona erdiğinde, göçmen okyanus balıkları Kuzey Amerika, Avrupa ve Asya’daki yeni oluşmuş göllere ve nehirlere yerleştiler. Bu popülasyonlar o tarihten beri, yani yaklaşık 10.000 nesil süresince tatlısudaki yeni çevrelerinde bulunan yeni besin kaynaklarına, avcılara, suyun rengine, sıcaklığına ve tuz yoğunluğuna uyum gösterdi. Bugün tatlısu-da yaşayan birçok dikenli balık türü arasında, ba-lık cinsleri arasında olduğundan bile daha fazla ya-pısal farklılık var. Örneğin dikenli balık türleri ara-sında, kemiksi plakaların sayısı ve büyüklüğü, yüz-geçlerinin olup olmaması, çene ve vücut şeklinde, diş yapısında, koruyucu dikenlerde ve vücut ren-ginde değişimler açısından, cinsler arasında oldu-ğundan 30 kat fazla fark görülüyor.

Yakın zamanda yapılan genetik çalışmalar, tıp-kı mısırda olduğu gibi, büyük bazı morfolojik deği-şikliklerin önemli birkaç kromozom bölgesine bağ-lanabileceğini gösteriyor. Bu bölgelerdeki kilit gen-lerin, gelişimin merkezi düzenleyicilerini kodladığı anlaşıldı. Birçok değişik yüzey yapısının oluşumunu kontrol eden bir işaret molekülü, uzuv gelişimiyle il-

gili genleri harekete geçiren bir başka molekül, emb-riyonun gelişimi sırasında haberci hücrelerin yer de-ğiştirmesini ve çoğalmasını kontrol eden bir kök hücre faktörünün salgılanması bunlar arasında.

Yeni dikenli balık formlarının evrimine pek çok genin katkısının olduğu kesin, ama belirli gelişim düzenleyicilerdeki ortak varyantlardan bazılarının bağımsız popülasyonlarda da tekrarlandığı görülü-yor. Bu balıkların kendi ortamlarına uyumu, rast-lantısal çeşitliliğin organizmalar arasında büyük farklılıklara nasıl yol açtığını açık olarak gösteriyor. Eğer bu değişiklikler sahiplerine üstünlük sağlarsa, doğal seçilim onları korumaya devam edecektir.

Atomların Rasgele Bir Araya Gelmesiİnsanlar da aynaya baktıklarında, görece yakın

geçmişte oluşmuş çeşitliliklerin doğal seçilim ta-rafından korunan örneklerini görebilir. Dünyanın farklı bölgelerinde, farklı ten renginde insanlar var. Kısa süre önce, kuzey enlemlerde yaşayan insan-larda görülen açık ten renginin, pigment hücrele-rinde etkin olan taşıyıcı bir proteini ve bir sinyal reseptörünü kodlayan genlerdeki tek bazlık mutas-yonlar dahil, birkaç genetik değişikliğin birlikte et-

Atomlardan Özelliklere Çeşitlilik

Mutasyonlar kültürlerle karşılaşıyor

İnsanlar sadece kendi genomlarına bakarak bile, nispeten yakın zamanlarda ortaya çıkmış ve hastalığa dirençten deri rengine varıncaya kadar, yeni özelliklere yol açmış olan çarpıcı çeşitliliklerin örneklerini görebilirler. Beslenme konusunda görülen bazı uyum biçimlerinde, ortaya çıkan değişiklikler popülasyonların tamamen yeni yaşam biçimleri (örneğin hayvan yetiştiriciliği ve tarım) benimsemesine neden olmuştur. Yetişkinlikte süt sindirebilme yeteneği bu tür bir özelliğe örnektir; bu özelliğin farklı kıtalardaki değişik gruplarda bağımsız biçimde ortaya çıktığının saptanması, bu varyantın bize büyük bir beslenme üstünlüğü sağladığını gösterir, ayrıca bir DNA dizisindeki basit bir değişim ile insanın kültürel evrimi arasında doğrudan ilişki kurma olanağı sağlar.

A A T

G

G T A G GC

T

C C C T

C

C G T

C

Laktaz düzenleyici dizi

Dünyanın değişik bölgelerinde, laktaz genini denetleyen DNA’nın aynı düzenleyici bölgesinde farklı mutasyonlar görülüyor.

Stefa

n Bec

ker /

LOOK

/ Ge

tty Im

ages

Laktoz Toleransı

Bağırrsaklarda üretilen laktoz adındaki bir enzim, bebeklerin ve çocukların sütteki karmaşık bir şeker olan laktozu sindirmelerini sağlar. Sadece az sayıda insan yetişkinlik döneminde de laktaz üretmeye devam eder. 2002’de Avrupalılar üzerinde yapılan bir çalışmada bu özelliğin laktaz genini denetleyen düzenleyici DNA’daki bir mutasyona bağlı olarak ortaya çıktığı bulundu. Daha yakın zamanlarda, süt veren hayvanların yetiştirildiği Doğu Afrikalı ve Suudi Arabistanlı popülasyonlarda (aşağıda) aynı geni etkileyen farklı mutasyonların olduğu görüldü. DNA’daki değişikliklerde görülen farklılıklar, laktoz toleransı özelliğinin geçtiğimiz 9000 yıl içinde birçok kez bağımsız biçimde ortaya çıktığına işaret ediyor. Süte bağımlı toplumlarda kalıcı olması da kültürün evrimsel güçleri nasıl pekiştirebildiğini gösteriyor.

36

Bilim ve Teknik Haziran 2009

<<<

kisiyle oluştuğu gösterildi. DNA’da oluşan ve geliş-mekte olan pigment hücrelerinin hareketini, geli-şimini ve hayatta kalmasını düzenleyen başka de-ğişikliklerinin de katkısı olabileceği düşünülüyor.

Bu pigment genlerinden ikisine komşu DNA bölgelerinde görece az çeşitlilik olması, bize açık ten rengi varyantının başlangıçta nadir bulundu-ğunu ve muhtemelen az sayıda kişide görüldüğünü düşündürüyor. İlk insanlar daha soğuk kuzey en-lemlerde yeni çevrelere göç edince, açık ten rengi kısıtlı gün ışığında daha kolay D vitamini yapılma-sını sağladığından, bu varyantların görülme sıklığı da artmış olabilir.

Benzer şekilde, sütteki baskın şeker olan lakto-zu sindirebilme becerisini kontrol eden bir gende de “seçilimin güçlü moleküler imzası” bulunmuş-tur. İnsanlar memelidir, dişiler bebeklerini emzi-rir ve bağırsaklarda laktozu basit şekerler olan glü-koz ve galaktoza ayıran bir enzim üretirler. Ço-cukluklarından sonra da önemli bir besin kaynağı olarak başka hayvanların sütlerini tüketmeye de-vam etmeleri, insanları memeliler arasında biricik kılar. Bu kültürel gelişim, Avrupa, Afrika ve Orta Doğu’da inek, keçi ve deve sütü tüketen gruplarda, birbirinden bağımsız olarak görülmüştür.

Bir yetişkinin sütü hazmedebilmesi, çoğu me-melide ve çoğu insan grubunda sadece bebek em-zirme döneminde etkin olan ve bağırsakta bulu-nan laktaz enziminin geninin mutant bir formu-na bağlıdır. Uzun süredir sütü için hayvan yetişti-ren popülasyonlardan gelen insanlarda, laktaz ge-ninin mutant bir formu yetişkinlikte de etkindir. Bu genetik gelişme, bu geni kontrol eden düzen-leyici DNA bölgelerindeki tek baz çifti değişimiyle ilişkilendirilmişti, ama laktoz toleransı farklı olan popülasyonlarda, kritik bölgede farklı mutasyonlar var. Bu da, sadece bir geni etkileyen bağımsız deği-şikliklerin yol açtığı benzer bir özelliğin tekrarla-nan evriminin çok çarpıcı bir örneğidir.

İnsanlarda beslenmeyle ilgili bir başka uyum ör-neği de tam bir genin çoğalmasıyla ilgili. Şempan-zelerin tükürüğünde, besinlerdeki nişastayı sindi-ren amilaz geninin tek bir kopyası varken, insan-lardaki amilaz geninin sayısında çok farklılık görü-lür. Bazı bireylerde bu genin kopyalanması sonu-cunda tek bir kromozomda yaklaşık 10 kopya gö-rülebilir. Diyetlerinde nişasta bakımından zengin besinlerin, örneğin pirincin bol olduğu kültürler-den gelen insanlardaki ortalama amilaz geni kop-yalarının sayısı ve tükürükteki amilaz enzimi sevi-yesi, avcılık ya da balıkçılıkla beslenen kültürlerde-ki insanlarda olduğundan daha yüksektir.

Süt için hayvan yetiştirme ve tarım son 10.000 yılda ortaya çıkmıştır. Bu, sadece yaklaşık 400 in-san nesline karşılık gelse de, yeni besin kaynakları, bu besin kaynaklarını tüketen popülasyonlarda yeni genetik varyantların birikmesine neden olmaktadır.

Herschel’in Darwin’in kuramına karşı hep ile-ri sürdüğü itiraz, yeni faydalı özelliklerin basit rast-lantısal çeşitlilik sonucu ortaya çıkamayacağı dü-şüncesiydi. Çeşitli yerlerde yayımlanan yorumların-da ve mektuplarında, bu özelliklerin daima “konu-nun bu şekilde rastlantısal olarak ele alınmasını ve atomların rasgele bir araya gelmesini değil, tersine akıl, plan ve tasarım“ gerektireceğini öne sürmüş-tü. Herschel, 1859’da çeşitliliğin kökeninin hâlâ bir sır olduğunu söylerken haklıydı. Ama daha sonra-ki 150 yıl boyunca yapılan araştırmalar sonucunda, karmaşık bir genomun ebeveynden evlatlara her ge-çişinde DNA diziliminde kendiliğinden oluşan var-yantların uzun bir listesini yapabiliriz.

Bu değişikliklerin ancak çok küçük bir kıs-mı, başlangıçtaki kalıtsal bilgiyi ve ondan türeyen özelliği bozmak yerine, iyileştirebilir. Yine de, da-ha tatlı bezelyeler, daha büyük kaslar, daha hızlı koşma yeteneği ve yeni besinleri hazmetme özelli-ği, bezelyelerin, köpeklerin ve insanların DNA di-zilerindeki atomların yeniden düzenlenmesinden kaynaklanmaktadır. Yani belli ki “atomların rasge-le bir araya gelmesiyle” ilginç yeni özellikler olu-şabilir. Darwin’in küçük, yeşil kitabının sonunda kullandığı meşhur “sonsuz sayıda, çok güzel ve çok muhteşem form evrimleşmiş ve evrimleşmektedir” cümlesiyle ifade ettiği gibi, canlı organizmaların içkin bir özelliği olan değişebilirlik evrim için ge-reken hammaddeyi sağlamaya devam etmektedir.

Ten Rengi

En az üç gendeki değişimin, Kuzey Avrupa’da ortaya çıktığı düşünülen açık ten rengi özelliğiyle ilişkili olduğu bulundu. Açık renk ten D vitamini üretimi için gereken ultraviyole ışınlarını daha kolay emiyor. Güneş ışığının az olduğu bölgelerde bu bir üstünlük.

Nişasta Sindirimi

İnsanlar nişasta sindirimine yarayan tükürük amilaz enziminin geninden kaç kopya taşıdıklarıyla birbirlerinden farklılık gösteriyor. Nişasta açısından zengin diyetlere sahip kültürlerde yetişenlerde daha fazla sayıda amilaz geni var ve tükürüklerinde de bu enzimin seviyesi daha yüksek.

EVRİM: Gelecek 200 Yıl

Niles EldredgeDarwin bize hâlâ modern evrimsel biyolojinin merkezinde yer alan bir doğal seçilim yoluyla uyum kuramı bıraktı. Bence burada eksik olan, seçilimin işlediği ekolojik bağlamdır. Bizim ihtiyacımız olan, moleküler biyolojiden tutun da kitlesel yokoluşların ve evrimsel sıçramaların jeobiyolojisine kadar her şeye ilişkin verileri ve ilkeleri -yani son derece farklı zamansal ve uzamsal boyutlara ait varlıkları ve süreçleri- bütünleştirmektir. Niles Eldredge, Paleontoloji Küratörü, Amerikan Doğal Tarih Müzesi, New York

phot

os.co

mph

otos

.com

37